（通信与信息系统专业论文）epon中上行接入方案和olt的设计.pdf

e p o n 牛上行接入方案和o l t 的设计 摘要 近年来通信网的核心部分发生了基大的变化， 瑟在接入部分却变化很少。所 以接入网成了高速局域网触叼和核心网之间的瓶颈。在各种接入网的方案中， 基予以太网的无源光网络( e p o n ) 充分利用了以太网成熟的协议糕设备，无需 进行a p o n 系统中i p a t m i p 之间的协议转换，成本低廉，而且克服a t m 信元开 销大、带宽利用率低的缺点，成为当今童带接入技术中研究的热点之一。 本文首先分析了e 壬，o n 的技术特点和优势，爵介绍了e p o n 系统的结构和工 作原理。然后，我们根据e p o n 的标准，自行设计了套能在f p g a 中实现的薪 的上行接入控制方案，并提出了种基予权重的裔适应动态带宽算法，详细分析 了此上行接入技术的实现流程。 本文还讨论yo l t 的硬件实现及软件实现方法，并淡模块讫的方式分析7 硬件和软件中各部分的功能和具体实现过程。 最后通过q u a r t u s 进行仿真，仿真结果证实了设计的正确性和有效性。 关键词：e p o n ，接入飚，注册，测距，带宽，仿真 3 d e s i g n0 fu p 。a c c e s ss c h e m ea n do l ti n e p o n a b s t r a c t w h i l ei nr e c e n ty e a r st h et e l e c o m m u n i c a t i o n sb a c k b o n eh a se x p e r i e n c e d s u b s t a n t i a lg r o w t h , l i t t l eh a sc h a n g e di nt h ea c c e s sn e t w o r k s ot h ea c c e s sn e t w o r k b e c o m e st h eb o t t l e n e c kb e t w e e nh i g h c a p a c i t yl o c a la r e an e t w o r k a n s ) a n dt h e b a c k b o n e n e t w o r k 。t h ee t h e r n e tb a s e dp a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k f e p o n ) ，w h i c hu s e s t h em a t u r ee t h e r n e tp r o t o c o la n de q u i p m e n t ，h a sn on e e dt om a k ep r o t o c o lc o n v e r s i o n b e t w e e ni pa n da t ma sa p o nd o e s 。b e c a u s eo fi t sl o wc o s t ，l o wo v e r h e a da n dh i g h b a n d w i d t hm i l k y , e p o nh a sb e c a m eo n eo ft h ep r o m i s i n ga p p r o a c h e so fb r o a d b a n d a c c e s s ， t h ef i r s t l y , t h i sp a p e ra n a l y z e st h ec h a r a c t e r i s t i c sa n da d v a n t a g e so fe p o n ，a n d i n t r o d u c e st h es t r u c t u r eo fe p o ns y s t e ma n do p e r a t i o np r i n c i p l e t h e n , a c c o r d i n gt o t h ep r o t o c o lo fe p o n , w ed e s i g nak i n do fn e wu pa c c e s st e c h n o l o g yw h i c h i m p l e m e n t e di nt h ef p g a ，p u tf o r w a r dan e wd y n a m i c b a n d w i d t ha l l o c a t i o ns c h e m e a d a p t v ed y n a m i cb a n d w i d t ha l l o c a t i o ns c h e m eb a s e do nw e i g h t , a n a l y s et h e r e a l i z a t i o np r o c e d u r eo ft h i sa c c e s st e c h n o l o g yi nd e t a i l t h i sp a p ea l s oi n t r o d u c e st h er e a l i z a t i o no ft h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo fo l t , t h e na n a l y z e dt h ef u n c t i o no fe v e r yp a r ti nt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea c c o r d i n gt ot h e d e s i g no fe p o ns y s t e m , a tl a s t ，w eu s et h ec o m p u t e rs i m u l a t i o nt h r o u g hq u a r t u si i ，w h i c hs h o w sa a c c u r a t ea n dv a l i d i t yr e s u l to fo u rw o r k k e yw o r d s ： e p o n ，a c c e s sn e t w o r k , r e g i s t e r , r a n g i n g ，b a n d w i d t h ，s i m u l a t 4 中英文缩写对照说明 a d s l ( a s y m m e t r i cd i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e ) a o n ( a c t i v eo p t i c a ln e t w o r k ) a p o n ( a t i v i - p o n ) a t m ( a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e ) b p s k 0 3 i n a r yp h a s es h i f tk e y i n g ) c a p ( c a r r i e r l e s sa m p l i t u d ep h a s e ) c a t v ( c o m m u n i t ya n t e n n at e l e v i s i o n ) c p u ( c e n t r a lp r o c e s s i n gu n i 0 c r c ( c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k ) d b a ( d y n a m i cb a n d w i d t ha s s i g n m e n t ) d c s ( d i g i t a lc r o s s c o n n e c ts y s t e m ) d d r ( d u a ld a t er a t e ) d m a ( d i r e c tm e m o r ya a c c e s s ) d s l ( d i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e ) d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r s ) e m s ( e l e m e n tm a n a g es y s t e m ) e p o n ( e t h e r n e tp a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ) f d d ( f r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e x ) f d m a ( f r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) f i t l ( f i b e ri nt h el o o p ) f p g a ( f i e l dp r o g r a m a b l eg a t ea r t y ) f s a n ( f u l ls e r v i c ea c c e s sn e t w o r k ) g m i i ( g i g a b i tm e d i ai n d e p e n d e n ti n t e r f a c e ) h d s l ( h i g hs p e e dd i 醇a ls u b s c r i b e rl i n e ) h f c ( h y b r i df i b e rc o p p e r ) i d l c ( i n t e g r a t e dd i g i t a ll o o pc a r r i e r ) i e e e ( i n s t i t u t eo fe l e c t r i c a la n de l e c t r o n i ce n g i n e e r s ) i e t f ( i n t e m e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c ei n t e r n e t ) i p ( i n t e r n e tp r o t o c 0 1 ) i s d n ( i n t e g r a t e ds e r v i c e sd i g i t a ln e t w o r k ) i t u - t ( i n t e r n a t i o n a l t e l e c o m m u n i c a t i o n su n i o n t e l e c o m m u n i c a t i o n s s t a n d a r d i z a t i o ns e c t o r ) 4 非对称用户数字线 有源光网络 a t m 无源光网络 异步传送模 二进馥嘲移键控 无载波调幅调相 共黑天线电视 中央处理机 循环冗余校验 动态带宽分配 数字交叉连接系统 双倍速率 直接存储器访问 数字用户线 数字信号处理 网元管理系统 以太网p o n 频分双工 频分多址 光纤环路 现场可编程门阵列 全方位业务接入网络 千兆媒体独立接口 高数数字耀户线 光纤同轴混合网 综合豹数字环路载波 电气和电子工程师协会 i n t e r n e t 王程任务组 互联网协议 综合业务数字网 蘑际电信联盟一电信标 准部 l a n ( l o c a l a r e an e t w o r k ) l l c ( l o g i c a ll i n kc o n t r 0 1 ) l l i d ( l o g i c a ll i n kd ) l v d s ( l o wv o l t a g ed i f f e r e n t i a ls i g n a l ) l v p e c l ( l o w v o l t a g ep o s i t i v ee m i t t e rc o u p l e dl o g i c ) m a c ( m e d i aa c c e s sc o n t r 0 1 ) m i i ( m e d i ai n d e p e n d e n ti n t e r f a c e ) m p c p ( m u t i - p o i n tc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) o a m ( o p e r a t i o n ，a d m i n i s t r a f i o na n dm a i n t e n a n c e ) o a n ( o p t i c a la c c e s sn e t w o r k ) o l t ( o p t i c a ll i n et e r m i n a l ) o n u ( o p t i c a ln e t w o r ku n i t ) p o n ( p a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ) p h y ( p h y s i c a ll a y e r ) p m a ( p h ，r s i c a lm e d i u ma t t a c h m e n t ) p m d ( p h y 7 s i c a lm e d i u md e p e n d e n t ) p c s ( h y s i c a lc o d i n gs u bl a y e r ) r t t ( r o u n d t r i pt i m e ) s n i ( s e r v i c en o d ei n t e r f a c e ) t d m a ( t i m e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) t t l ( t i m et ol i v e ) v d s l ( v e r y h i g h b i t - r a t ed i g i t a ls u b s c r i b e rl o o p ) v o d ( v i d e oo nd e m a n d ) w a n ( w i d ea r e an e t w o r k ) 局域网 逻辑链路控制 逻辑链路号 低压差分信号 低压正射极耦合逻辑 介质访问控制 媒体独立接口 多点控制协议 操作管理与维护 光分配网络 光链路终端 光网络单元 无源光网络 物理层 物理媒体附属子层 物理媒体依赖子层 物理编码子层 往返时间 业务节点接口 时分复用接入 生存期 甚高速数字用户环路 视频 广域网 浙江工业大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教 育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体， 均己在文中以明确方式标瞻。本人承担本声明的法律责任。 储獬：- 叶 醐吖钏硼矽日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保毫形在土年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名：乡砷 日期：弘吗- 年，工月刀日 导师签名： 梧跨 日期：夕吸广年夕z 月夕口日 2 第一章绪论 1 1 引言 随着信息社会的到来，人们的工作和日常生活已经越来越离不开各种透信服 务，对电信业务的要求也越来越赢，丽电信业务也逐渐从传统的电话等窄带业务 向集语音、数据帮视频为一体的多媒体宽带业务发展。 当前的电信网可以划分为公用电信网和用户驻地网( c p n ) 两大块珏，如图卜l 所示。公用电信网又可划分为三部分，即：长途网( 长途局端以上部分) 、中继网 ( 即长途局端与市话局之间以及市话局之间部分) 和接入网( 即局端至用户之间 的部分) ，我们把前两部分称为核心网。目前，核心网以光纤为主，基本实现了通 信业务的数字化、综合化、宽带化、智能化和个人化。两接入网已经不能满足目 益增长的多种业务需求，成了高速用户网和核心网之间的瓶颈。因此，网络接入 技术已成为电信研究部门、各大电信公司和运营部f j 关注的焦点和投赘的热点， 为了满足用户的需要，各种新的接入网技术也不断涌现。 u n is n ls n i u n i ：用户网络接口 s n i 业务节点接口 图l 一1 电信网的基本组成 1 2 接入网现状与发展趋势雌2 嚣3 】 1 2 1 接入网定义 入网 固 3 图卜2 接入网定义妇 接入网是由在s n i 和与其关联的每一个u n i 之间提供电信业务的传送实体组 成的系统。为供给电信业务而提供所需传送承载能力的实施系统，可由管理接口 6 ( q 3 ) 来配置和管理。图1 - 2 为接入网与其他网络实体之闻盘u n i 、s n i 和q 3 接 口连接的示意图。 1 2 2 主流的宽带接入技术 接入网通常是按其所用的传输介质的不同来进行分类，目前主流的宽带接入 网技术方案主要有以下几种1 3 乜】【3 】引： ( 1 ) 基于铜线的曲瓯接入网 d s l ( 数字用户线路，d i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e ) 是以铜线为传输介质的传输 技术组合，它包括h d s l 、a d s l 、v d s l 等技术，一般称之为x d s l 。它们主要的区别 就是体现在信号传输速度和距离的不同，以及上行速率和下行速率对称性的不同 这两方面。 ( 2 ) 光纤接入网 光接入网就是采用光纤传输技术的接入网，泛指本地交换机或远端模块与用 户之间采用光纤通信或部分采用光纤通信的系统。光接入网具有传输信息容量大、 传输损耗小、传输距离长、抗电磁干扰能力强、网络可靠性高释节约管道资源等 特点。又盘予在光通信时代，花费巨额费用去维护运行一个将要淘汰的铜缆网己 非大势所趋，因此它将是宽带业务最佳的通信方式，也是用户接入网发展的方向。 ( 3 ) 混合光纤同轴( 肝c ) 接入技术 h y c 是在传统的同轴电缆c a t v 技术的基础上发展起来的。h f c 的基本特 点是保留了传统的模拟传输方式，实现了上下行双向和数字模拟的混合传输，能 够同时提供电话、模拟视频、数字视频和交互式业务，同时建设费用较少。但是 闯题也有很多：在原有的单向c a t v 网络基础上实现双向通信要引入较为复杂的 适配器件；与电视节尽共享带宽丽侵传输容量受到限制；安全性、系统健壮性、 价格甚至经营体制方面的阍题都还未解决和完善。 ( 4 无线接入技术 无线接入类型可分为固定无线接入和移动无线接入。固定无线接入可直接与 公用电话网的本地交换机连接，可代替有线接入系统，实际上是p s t n i s d n 网的 无线延伸。移动无线接入系统有寻呼电话系统、蜂窝移动通信系统和个人通信系 统等，是当今通信行业中最活跃的领域之一。 1 2 3 接入网发展趋势拯3 3 3 【t 】 _ 当前信息技术发展的大趋势是电话、计算机、电视三种技术、产业乃奎网络 的融合，即三网合一。它表现为业务层互相渗透交叉，应用层使用统一的通信协 议，网络层互联互通，技术上趋向一致。 从业务上分析，受这种大潮的推动，接入网的发展嚣标是建立一个全业务接 入网( f s 必) ，它不仅能支持窄带、宽带以及交互式宽带数务，丽且还能支持西前 尚来定义的一些新业务，将各种应用型技术融子一网，以满足用户的备种业务需 7 求。 从技术上分析，伴随着各种接入技术的发展，有线接入礴的发展方向必然是 数字他、宽带化、光纤化。这也是用户嚣益增长的通信需求驱动的结果。数字化 的宽带光纤接入网将是市场导向和技术发展的必然结果。 同时由予因特网的飞速发展，用户对i p 业务接入的需求空前高涨。因为以太 网接入技术在各方面所具有的优越性，尤其是无缝传输i p 数据的能力、带宽可扩 展性和应用的普及性等强大的优势，决定了以太网接入技术必然是接入网技术近 期发展的热点和重点。 1 3 无源光接入网( p o n ) f 1 】【辍 根据接入网室外传输设施中是否含有源设备，光接入网( o a n ) 可以划分为有源 光网络( a o n ) 和无源光网络( p o n ) 。县前的有源光接入网主要指综合的数字环路载 波系统( i d l c ) ，采用电复用器分路。i d l c 本质上仍属窄带技术，支持的韭务也很 有限。而且，作为有源设备仍然无法完全摆脱电磁干扰和雷电影响，以及有源设 备固有的维护问题，所以i d l c 不是光接入网长远的解决方案。无源光网络( p o n ) 是指在o l t ( 光线路终端) 和o n u ( 光网络单元) 之间的光分配网络( o d n ) 没有任何有 源电子设备，如图i - 3 所示。而p o n 作为一种纯介质网络，它有效地避免了外部 设备的电磁干扰和雷电影响，减少了线路和外部设备的故障率，提高了系统的可 靠性，同时降低了维护成本，是一种很有前景的光接入网技术。 1 3 。i 无源光接入网的参考结构 用户 图1 - 3p o n 接入网的参考结构 根据王珊og 9 8 2 建议，p o n 接入网的参考结构如图所示。系统由光线路终 端( o l t ) ，光网络单元( o n u ) ，无源光分配网络( o d n ) 、光纤和系统管理单元组 成，如图卜3 。 o l t 的作用是为p o n 提供网络侧与本地交换机之间的接口，并经一个或多个 g o d n 与用户侧的o n u 通信。o l t 与o n u 的关系是主从通信关系。o l t 的任务是分离 交换和非交换业务，管理来自o n u 的信令和监控信息，为o n u 和本身提供维护和 适配功能。o d n 为o l t 与o n u 之间提供光传输手段，其主要任务是完成光信号功率 的分配，o d n 是由无源器件( 如光纤光缆、光连接器、光分路器) 组成的纯无源光 配线网。o n u 的作用是为p o n 提供直接的或远端的用户接口。o n u 的主要任务是终 结来自o d n 的光纤，处理光信号，为多个用户提供业务接口，也为用户设备提供 适配功能。 1 3 。2 几种p o n 技术的比较 + 按承载的内容来分类，p o n 技术主要包括以a t m 为基础的无源光网络( p o n ) 宽带无源光网络( b p o n ) 、以太网无源光网络( e p o n ) 以及干兆以太网无源光网络 ( g p o n ) 等璐孙】【们。在3 种主流的p o n 技术中，a p o n b p o n 是比较成熟的技术，e p o n 是2 0 0 1 年推出的技术，而g p o n 的标准i t u 予2 0 0 3 年l 胃才遥过。 ( 1 ) a p 洲b p o n 5 1 1 9 9 9 年，i t u 批准了矗p 蜊b p o nf s a n 标准g 9 8 3 x 。a p o n 是结合a t m 多业 务多比特率支持能力和无源光网络透明宽带传送能力的解决方案，其网络拓扑结 构是星形的，取向传输方式一般采用双纤空分复用( s d m ) 方式，也有基于单纤波 分复用( 1 i | d m ) 方式。它是基于信元的传输系统，采用点到多点的传输系统上的复 用和多路接入方式。点到多点传播采用下行时分复用( t d m ) 、上行时分多址( t d 姒) 方式。下行帧每隔一定时隙插入一个物理层维护管理信元( p l o a m ，p h y s i c a ll a y e r 0 a m ) 。p l o a m 信元携带用来指示上行信元时隙的授权( g r a n t ) 债息，以及o a m & p 消息( m e s s a g e ) 。上行传输的信元可以是包含a t m 信元的数据信元，也可以是包 含o n u 信息发送给o l t 的p l o a m 信元。 a p o n 提供了完备的运行管理维护( o a m ) ，但为此付出的代价也很高：个 是低的数据传输效率；一个是在a t m 层面上提供服务的复杂性，特别是在与以太 网相连时需要进行a t m 协议和i p e t h e r n e t 协议的转换。这些原因致使a p o n 虽然 发展多年，但是仍没有真正进入市场。 a p o n 下行传输的是连续的a t m 信元流，每个a t m 信元含5 3 个字节，下行方向 采用的是时分复用的广播方式，每个o n u 都将收到所有的帧，它们可以自主地从相 应时隙中取出属于自墨的信元。a p o n 上行传输的是突发模式的a t m 信元。为了实 现无冲突的、有效昀上筘接入，保证各个o n u 的上行信号都能完整地到达o l t ，g 9 8 3 建议采用时分多址( t d m a ) 的上行接入控制。这样，a 黼必须对各个o n u 进行 测距，并根据不同的延时进彳予协调。为了实现同步，上行帧中的每个信元由5 6 个字 节组成，其中3 个字节的开销用于同步，防卫时间用于防止微小的相位漂移损伤信 号，前置比特图案则用于同步获取，o l t 必须在收到o n u 上行突发的前几个比特内实 现比特同步，才能恢复o n u 的信号。目前，a p o n 的上行和下衍速率都可达到1 5 5 9 m b i t s ，非对称应用时下行方向的速率可达到6 2 2m b i t s 。， ( 2 ) e p o n t 7 】【8 】嗍 a p o n 带宽利用不够充分，过于复杂，而且造价太高。同时，随着快速以太网、 千兆以太网、万毙以太网成为主流，基于以太网的无源光接入网( e p o n ) 能消除 广域网与局域网链路上的a t m 和i p 协议的转换问题，因此人们把目光转向了e p o n 。 2 0 0 0 年l 王月，在i e e e 组织下，通过创建描以太网第一英里( e 两) 研究 组，以太网的发展商们抛弃了自我的一些标准，瞄准接入网市场，发震己广泛健 用和证实的以太网协议标准。 目前，i p e t h e r n e t 应用占到整个局域网通信的9 5 以上，e p o n 由于使用上 述经济而高效的结构，允许运营商放弃复杂昂贵的a t m 和s o n e t 器件，使网络大 为简化，从而成为连接接入网最终用户的一种最有效的通信方法。l o g b i t s 以太 主干和城域环的出现也将使e p o n 成为未来全光网中最佳的“第一英里嚣的解决方 案。 e p o n 系统主要圭o l t 、o n u 和o d n 以及接入赠网元管理系统构成，结合国王2 ， 给出e p o n 结构示意图如图i - 4 所示。 图i - 4e p o n 结构示意图f s l 在一个e p o n 中，光信号能准确地传送到最终用户，来自最终用户的数据也能 被集中传送到中心礴络。在下行方向上，o l t 透过1 ：n 的无源分路器将| 以太帧发 送给每个o n u ，n 通常为4 - - - 6 4 。e p o n 的下行方向是广播式豹发送以太帧，各个o n u 根据各自的m a c 地址提取属于自己的数据信息。在上行方向上，由于无源光舍路 器( p a s s i v eo p t i c a lc o m b i n e r ) 的方向属性，从o n u 来的数据帧只能到达o l t ， 而不能到达其它o n u 。从这一点上来说，上行方向的e p o n 网络就如同一个点对点 ( p o i n t t o - p o i n t ) 网络。然而，不同于其它的点对点网络，来囱不同o n u 的e p o n 数据帧可能会发生数据冲突。因诧，在上行方向( 用户到潮络方向) 通过新增加 的m a c 控制命令来控制和优化各o n u 与o l t 之间突发性数据通信，使各个o n u 在 备自特定的时隙内发送数据，在避开c d m a c d 的情况下实现数据有序传输，公平 分配信道资源，从而使带宽得到充分利用。 l o ( 3 ) g p o n 【5 】 f s b 娃n 组织在2 0 0 1 也开始起草制订一个超过1 g b i t s 速率的p o n 隧络标准 凹渊。该标准不但提供高速带宽( 上下行速率1 2 4 4g b i t s 和2 4 8 8g b i t s ) ， 支持各种接入服务，并且能以原有数据的格式( 无需再次转换) 和极高的效率溺时 支持d a t a 及t d m ；2 0 0 3 年，i t u 批准了g p o n 标准g 9 8 4 。 g p o n 的帧结构不基于任何指定类型的格式，它是一种基于各种用户信号原有 格式的封装，所以g p o n 也被称为“t h en a t i v em o d ep o n ( “原型p o n ”) 。6 p o n 是f s a n 组织提出的一种速率高达2 4g b i t s 、能以原有格式和极高的效率( 9 0 冁 以上) 传送包括话音、以太网、a t m 、狙用线等多种业务的技术。g p o n 的主要技术 特点是采用全薪的传输汇聚层协议“通用成帧协议 ( g f p ，g e n e r i cf r a m i n g p r 0 2 t o c 0 1 ) ，实现多种业务码流的通用成帧规程封装，为高层用户信号业务流和传 输网络提供一种通用的适配机制；另一方面叉保持了g 9 8 3 串与p o n 协议没有直 接关系的许多功能特性，如o a m 管理、d b a 等。这里，传输网络可以是多种类型，如 s o n e t s d h 和i t u 2 tg 7 0 9 ( o t n ) ：用户信号可以是基于分组的( 如i p p p p ，或 e t h e r n e t 淞c ) ，或是持续的比特速率，或者是其它类型的信号：两g f p 则对不同业 务提供通用、离效、简单的方法进行封装，经巍同步麴网络传输；因为使用标准的8 k h z ( 1 2 5 弘s ) 帧，从而能够壹接支持t d m 业务。 l 。3 。3e p o n 的特点 i e e ee f m 工作组的匿的是在现有i e e e8 0 2 3 协议的基础上，通过较小的修改 实现在用户接入网络中传输以太网帧。e p o n 的优势归纳起来主要体现在以下几个 方面： 1 ) 与现有以太网的兼容性。以太网技术，是迄今为止最成功和成熟的局域溺技 术。e p o n 只是对现有i e e e8 0 2 。3 协议作定的补充，基本上是与其兼容的。随着 e p o n 标准的制定帮m p o n 豹使用，在w a n 和l a n 连接时将减少船瓣中存在a t m 和 王p 协议阅转换的需要。 2 ) 高带宽h 嬲。根据新的标准，e p o n 的下行信道为千兆的广播方式，丽上行信 道为用户共享的千兆信道。这比目前的接入方式，如m o d e m ，i s d n 、a d s l 甚至”0 n ( 下 行6 2 2 1 5 5 m b i t s ，上行共享1 5 5 m b i t s ) 都要高得多。 3 ) 低成本。e p o n 提供较大的带宽和较低的用户设备成本。首先，盎予采建p o n 的结橡，e p o n 网络中减少了大量的光纤和光器件以及维护的成本，降低了预先支 错葡设备资金和与s o n e t 及a t m 有关的运行成本。其次，以太网本身的价格优势， 如廉价的器件耱安装维护使e p o n 具有a t m - p o n 所无法比拟的低成本。 ， 毒) 为灵活耨快速的服务重组提供了方便。提供了多层安全，例如限铡用户访阔、 支持虚拟专用网的v l a n 、i p 安全( i p s e c ) 等。最后，电信公司可以通过在e p o n 体 系结构上开发的广泛丽灵活的服务来增加收入，例如管理防火墙、语音交易支持、 v p n 和i n t e r n e t 接入。 当然，个技术难以十全十美，榛辩于另两种技本，辨醚巍宥一些劣势。由 于采用和i p e t h e r n e t 一样的以太网协议，所以不需要进行协议转换。如粜要支 持其他的协议，a p o n 与e p o n 都要进行各种协议的“转换，而g p o n 则是进行各 种协议的“透明传输”。所以，。n 的拜销少，带宽利用率效率翅然就比a p o n _ 襁 e p o n 静高。a p o n 采焉a t m 信元抟输，密予拜僚元税捧，蠢都开销较大，传输效率低。 对于e p o n ，其业务适配熬开销会造成一些损失。每e p o n 不丽懿是，舻溅和g p o n 系统都采用扰码作为线路码，这与s o n e t 或s d h 网络的线路编码机制檩一致，不涉 及带宽的额外消耗，信元开销就糍对毖较小圈。但是g p o n 的技术复杂度毙e p o n 嵩， 麓时核心模块还不太成熟，难以实现规模商用，成本也比较高。 但是，作为一种相对已经成熟的技术，e p o n 已成为最有前途和最具优势的宽 带接入网技术之一，得到了广泛的重视，各隔都开始投入力量进行研究。为此我 镯舞震基予淡太嚣鹣宽带多媒体无源光搂入网( e p o n ) 的褥究是非常努要两鸯 意义的项鼹。 一 1 3 4 e p o n 的研究现状【l l l 自从2 0 0 4 年7 月e p o n 的标准最终确定敷爱，e p o n 技术逐渐走意成熟，在 国外已有较多的芯片厂商推如了e p o n 解决方案，领先供应商有p a s s a v e ， c e n t i l l i u m ，t e k n o v u s ，b r o a d l i g h t 。其中p a s s a v e 已经在日本市场获得了极大 成功，t e k n o v u s 也已经进入韩国市场，其它凡家也已经在试运营。 盍予e p o n 市场翡蓬大诱惑，警前在蓬肉也有缀多厂商在研究e p o n 技术，如 w 薪达廉、烽火通信、格林威尔、华为、中兴等通信企业。但是在阑内，更多的 是设备厂商嚣非芯片厂商，邸采用国外厂商的芯片和解决方案遴丽提出自己的解 决方案，其中器零簧达康、烽火通信和格拣藏尔等不多厂商蠢经推出窭己蕊解决方 案，华为、中信、南亚等设备厂商也正在开发相关设备。 采用豳外厂商的解决方案，虽然能较快推出自己的设备，但是核心技术受制 于人鸯不剩子设备酌扩鼹以及生产靓模，并且还要支付高额的知识产权费用。两 本课题组将禳靠毒身力羹磅制窭疆渊f p g a 核心芯片组，使其拥有謇主知识产权。 此举有利予结柬国蠹通信业核心技术受制于入的被动局面，大大增强了民族通信 产业在在新兴宽带按入领域的核心竞争力。 4 零吏的主要研究内容 课题采源：本课题是浙江省科技厅的重点计划项层，项髫名称：基予以太网 的宽繁多媒体无源光接入网( 醴僦) 的研究。， 本论文的主要内容包括以下几个方面： 第一章绪论，介绍了接入网的发展现状和发展趋势，光接入网的定义。分析了 当前的主流宽带接入技术。介绍了光接入网的定义和无源光接入网的参考结构， 并分析了当前几种主流p o n 。论述了e p o n 的特点和技术优势，以及e p o n 的发展前 景。 、 第二章e p o n 的系统结构以及关键技术的设计与实现，本章根据8 0 2 3 a h 协议 的定义，分析了e p o n 系统的结构和工 乍原理。并根据e p o n 系统的要求提出了上 行接入( 肿c p ) 的具体设计方案，详细分析了该方案的注册，测距和动态带宽分 配的赛现过程，讨论了对系统时钟同步的处理，总结了该设计方案的优点。同时 还提出了一套多业务带宽分配方案和e p o n 的密钥管理方案。本章是e p o n 系统设 计与实现的重点，为我们的后续工作提供了理论依据。 第三章提出了一种新的动态带宽技术( 基于权重蛉鸯适应动态带宽算法) ，并 详细介绍了该带宽分配算法的原理，运算规则，结构设计，以及实现过程。 第四章器溅系统的硬件设计，本牵具体分绍了黯溅系统中o l t 的硬件设计， 将o l t 的硬件分为四个模块：f p g am a c 模块，o a m ( n i o s i i ) 管理模块，核心网侧 光收发模块以及e p o n 侧光突发模块。其中e p o n 的光突发应用是一个较新的领域， 因此进行了详细介绍。模块化的设计为我们以后调试和修改设计提供了很大的方 便。最后还给出了硬件p c b 板的设计图。 第五章o l t 的软件的设计与实现，详细介绍了e p o n 系统中o l t 的f p g a 的硬 件编程实现。以模块化的方式将f p g a 的硬件编程分为几个相互独立的模块，分析 了其中部分模块的实现过程。最后通过q u a r t u si i 对程序进行仿真，并分析了仿真 的结果。 第六章结束语，也是本次毕业设计最后总结。分析了系统设计和实现的一墼 创新和不足，也对今后努力的方向作了展望。 1 5 本章小结 本章主要介绍了接入网筋现状与发展趋势，分析了当前的主流宽带接入技术。 还介绍了光接入网的定义和无源光接入网的参考结构，并分析了当前几釉主流p o n 技术，论述了e p o n 的特点和技术优势，以及e p o n 的发展前景。 第二章e p o n 的系统结构以及上行接入方案的设计 e p o n 是把简单经济的以太阚技术与p o n 的传输结构结合起来的接入技术。即 是一种以以太网接入为网络协议，以p o n 为赠络平台，能为用户提供数据、语音、 图像和多媒体服务的宽带接入系统。e p o n 的标准是由e f m ( e t h e r n e ti nt h ef i r s t m i l e ) 研究组来完成的。该组织在2 0 0 0 年u 月起草了i e e e8 0 2 3 a h 标准，将现 在广泛使用的以太网联网协议通过最小的修改应用到接入网市场，主要重点是在 e p o n 的m a c 协议上，最小程度的修改m a c 帧，用肝c p 协议实现e p o n 上下行技术， 该协议最终在2 0 0 4 年7 月完成( 8 0 2 a h - 2 0 0 4 ) 秘】。我们在课题中，结合这一最新 的标准进行了e p o n 系统结构和上行搂入方案的设计，下面将结合协议对本系统的 设计方案进行详细介绍。 2 。le p 0 n 的网络结构嘲一 图2 - 1 。 图2 - ie p o n 的网络结构 o l t 位予中心交换局的机架上，它既是一个交换机或路由器，又是一个多业 务提供平台，提供e p o n 系统与业务供应商的语音、数据、视频的接口，它通过e m s 连接到业务供应裔的网络上。o l t 可提供各种广域网接口，可与d c s 、话音网关、 i p 路由器等设备相连；还可提供多个o b i t 以太两和l o g b i t 良太网接口，提供第 二层幂羹第三层的交换与路壶功能。o l t 根据需要配置多块o l c ( 光线路卡) ，o l t 与 多个o n u 通过p o s ( 无源光分路器 连接。 o l t 作为e p o n 的核心，实现以下功能阳】： 1 4 向o n e 以广播方式发送以太网数据。 发起并控制测距过程，记录测距信息。 发起并控制o n e 功率。 为o n e 分配带宽，即控制o n u 发送数据的起始时间和发送窗口大小。 其他相关的以太网功能。 0 d n 由p o s 和光纤构成，p o s 是一个连接o l t 和o n e 的无源设备，可以置于全 天候的环境中，它分发下行数据并集中上行数据，一般一个p o s 的分路比为8 、1 6 、 3 2 或6 4 0 o n e 位于用户端，放在住户、企业或肋u m t u ( 多住户租户单元) 处，提供 客户的语音，数据和视频与p o n 间的接口，还提供第二层、第三层的交换和路由 功能。o n e 为用户提供e p o n 的接入功能，实现以下功能： 选择接收0 l t 发送的广播数据。 响应0 l t 发出的各种控制帧。 对用户的以太网数据进行缓存，并在0 l t 分配的发送窗口中向上行方向发送。 其他相关的以太网功能。e m s 管理p o n 的不同元素【8 】【1 2 】，在新的标准中有专门的 o a m 层控制，它提供进入业务供应商的核一1 1 , 运营网络的接口，其管理职责包括全 程故障查找、配置、计费、性能和安全功能。 2 2e p o n 的工作原理【8 】 e p o n 利用以太网作为其第二层的成帧协议，数据传输采用可变长度的包，最 长达1 5 1 8 字节。 在下行方向，e t h e r n e t 帧由o l t 通过l ：n 的无源分路器到达各个o n u ，分路 比大约在l ：4 到l ：6 4 之间。由于以太网本来就是通过广播方式传递信息的，所 以在下行方向上，e p o n 的结构非常适合这种传播方式：数据包是以广播方式传播， 而且由各个o n e 的媒质访问控制( m a c ) 地址提取出特定的数据包。如图2 - 2 所示： 哼- 图2 2e p o n 下行数据流示意图 在上行方向上，各个o n u 通过t d m a 的方式将数据帧传至o l t ，由于无源光合 路器( 光分路器) 的定向性能，各个o n e 的数据帧只能到达0 l t ，而不是其它的o n e 。 e p o n 在上行方向的传输方式类似于点到点的传输，从各个0 n u 到达0 l t 的数据包 有可能发生碰撞，因此，在上行方向上，需要引入媒体介入控制协议( m a c ) 使0 n u 能共享光纤的容量和资源，防止数据包发生碰撞。如图2 3 所示。 - 一- 一 图2 3e p o